CN107707149A - 基于纸基的堆叠摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机。该纳米摩擦发电机采用的材料有办公用的A4纸、导电墨水、特氟龙胶带、透明胶带、导线等。将办公用纸折成“V”字型，然后将其他材料按照要求布置在A4纸上，A4纸作为支撑结构的同时，也作为摩擦电极，通过挤压发电机来发电。该装置可以用于收集环境中的机械运动以及人体运动产生的机械能，例如拉伸、提升、弯曲等，并将其转化为电能，为微系统提供电能。该发明属于纳米能源领域。
Description
技术领域
本发明基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，用于收集环境中的机械运动以及人体运动产生的机械能，例如拉伸、提升、扭曲等，并将其转化为电能，并且可以用于物联网节点、无障感知等，在微系统领域也有较大的应用前景。该发明属于纳米能源领域。
背景技术
在全球变暖很能源危机日益严峻的形式下，对于绿色可再生能源的探索成为维持人类文明可持续发展最为紧迫的挑战之一。在宏观能源方面，除了当今世界正在使用的石油、煤、水力、天然气、核能等为大家熟知的传统能源之外，还包括一些可替代能源，如太阳能、地热、生物质能、核能、风能等。在更小的尺寸范围，植入式生物传感器、超灵敏的化学和生物分子传感器、纳米机器人、微机电系统、远程移动环境传感器、便携式或可穿着个人电子设备等供能器件的独立、持久、长时间免维护连续运行等都对能源技术提出了非常迫切的需求。一种基于纸基的折叠纳米摩擦发电机，用于收集环境中的机械运动以及人体运动产生的机械能，例如拉伸、提升、扭曲等，并将其转化为电能。对于纳米系统而言，系统的低功耗决定了可以从外界环境中收集能量来驱动。对于那些独立，可连续工作、无需维护的植入式生物传感器、远程移动环境传感器、微机电系统乃至便携式/可穿着个人电子器件来说，通常需要毫瓦级的功耗。
容错传感器网络利用注入射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统(GPS)以及激光扫描仪等信息传感设备来将物体和互联网链接在一起，实现通信、识别、定位、追踪、监控和管理的功能，而自驱动传感器是容错传感器网络的核心构件。用大量独立移动传感器取代区域内散布的有限数量传统类型传感器后，通过互联网对这些大量传感器网络信号进行收集并统计分析后就可以得到准确可靠的信息。但是由于数量巨大以及环境和健康方面的原因，如果每个传感器都用一个电池为其供电，这种传感器网络将难以实现。然而一种可以从外界环境中收集能量的可持续、自供型微纳电源为传感器网络提供了一个可能的电源解决方案。不过，我们周围环境中可以用的机械能具有频率分布宽和振幅随时间变化的特点。这种能量称为“随机能量”，可以来源于不规则振动。轻微的空气流动、噪声以及人类活动。基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机可以收集这些“随机能量”为电子器件提供电能。
发明内容
本发明旨在开发一种廉价的纳米发电机，可用于收集环境中的机械运动以及人体运动产生的机械能，例如，人在跑步，日常锻炼中拉伸运动等。
本发明的基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机包括支撑结构、摩擦电极、感应电极、保护层部分、以及导电装置，
所述支撑结构呈多个相互连接的“V”字型结构；所述感应电极为布置在“V”字型结构外侧的导电墨水，每个“V”字型结构布置有两个感应电极；所述保护层部分为布置在感应电极表面的透明胶带；所述导电装置布置在“V”字型结构外侧的感应电极的外表面；所述的“V”字型结构内侧的一侧且与导电墨水相对的位置上设有特氟龙胶带；所述特氟龙胶带与所述的“V”字型结构内侧的另一侧共同构成摩擦电极；在“V”字型结构被压缩完全时，构成摩擦电极的两部分相互接触；且此时每个“V”字型结构的两个感应电极的位置正好相对应。
优选的，所述支撑结构采用A4纸或者硬纸卡片，如办公用的A4纸，这些材料在普通商店都可以买到，并且价格低廉。
优选的，所述特氟龙胶带厚度为0.13mm。
优选的，所述感应电极，采用的是导电墨水，导电墨水的薄层电阻在50微米薄膜厚度时为50Ω/sq。
优选的，所述保护层部分采用透明塑料膜。以透明胶带为例，通过在感应电极表面粘贴一层较薄的透明胶带在起到保护作用的同时，也可以起到绝缘作用。
优选的，所述导电装置为细电线，导线采用的是模型材料导线diy。
所述基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机的制备方法包括以下步骤：
1)根据需要将支撑结构材料折成多个“V”字型；
2)用导电墨水将“V”字型外侧一定范围内的区域涂黑，且涂抹要均匀；
3)待导电墨水干了以后，将导线用透明胶带粘在导电墨水上，透明胶带要覆盖整个感应电极区域，以起到绝缘和保护作用；
4)在“V”字型上半部分的内侧，粘上一层特氟龙胶带，大小和位置与感应电极区域对应；
5)每个“V”字型结构构成一个发电单元；每个发电单元通过折纸关节相连；
6)发电机每个发电单元以并联的方式连入电路，已提供较大的电流。所述基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机的发电方法包括以下步骤：
1)将基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机安装在所需位置，通过作用力使得“V”字型结构能够被压缩和分离；
3)各个发电单元并联连接；
4)布置完导线后，将干路中的两个接线柱接到用电器或者储能装置；
5)利用作用力进行压缩，到摩擦电极的两部分相互接触的时候，摩擦电极的两部分表面会产生正负电荷，此时感应电极也会感应出相应的电荷，随着摩擦电极的两部分分离，感应电极上的电荷被驱动产生电流。本发明所具有的优点：
(1)制作该纳米摩擦发电机的材料来源广泛，在普通商店都可以买到材料并且价格低廉，大大降低制作成本；
(2)该纳米摩擦发电机结构简单，制作方便，可根据不同需求制作出不同规模的纳米摩擦发电机；
(3)本发明应用范围广泛，可用于收集环境中的机械能以及人体运动产生的机械能；
(4)相比于其他纸基纳米摩擦发电机，本发明的纳米摩擦发电机具有更高的功率密度，经过实测功率密度可以达到45.06μW/cm2；
(5)经过实验测试，尺寸为5cm×8cm在大约5HZ的力作用下，可以产生127V的开路电压，以及81.5μA的短路电流，高于同类型纸基纳米摩擦发电机；
(6)经过高温箱在85℃情况下，加热一个小时，其电学性能依然稳定，所以该纳米摩擦发电机具有较高的可靠性。
附图说明
图1是本发明基于纸基堆叠纳米摩擦发电机的结构示意图；
图2为“V”字型上半部分的制作流程图；
图3为“V”字型下半部分的制作流程图；
图4为本发明的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
参阅图1。一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于包括支撑结构、摩擦电极、感应电极、保护层部分、以及导电装置等。
参阅图2、3。一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据需要将商用A4纸折成多个“V”字型；
2)用导电墨水将“V”字型外侧一定范围内的区域涂黑，且涂抹要均匀；
3)将铜片和导线，用透明胶带粘在石墨层导电墨水上，透明胶带要覆盖整个感应电极区域，以起到绝缘作用；
4)在“V”字型上半部分的内侧，粘上一层特氟龙胶带，大小和位置与感应电极区域对应；
参阅图4。本发明的工作原理图，到摩擦电极相互接触的时候，表面会产生正负电荷，感应电极也会感应出相应的电荷。随着摩擦电极的分离，电荷被驱动产生电流。
本发明还公开了一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机的使用方法，通过点亮LED灯珠来表征其发电特性，其特征在于包括以下步骤：
1)按照要求制作好纳米摩擦发电机，折数根据需要而定，本实验以4组发电机为例，感应电极的尺寸为5cm×8cm；
2)然后布置导线，并且各个发电单元是并联；
3)布置完导线后，将干路中的两个接线柱接到7个LED灯珠，LED灯珠之间采用串联的方式；
4)用手拍打发电机，使其产生接触-分离的往复运动，可以观察到LED灯珠被点亮；
5)实验结束后，断开电路，以免触电；
6)拆除实验装置，结束试验。
测试结果：本发明的纳米摩擦发电机经过实测功率密度可以达到45.06μW/cm2；经过实验测试，尺寸为5cm×8cm在大约5HZ的力作用下，可以产生127V的开路电压，以及81.5μA的短路电流，高于同类型纸基纳米摩擦发电机；经过高温箱在85℃情况下，加热一个小时，其电学性能依然稳定，所以该纳米摩擦发电机具有较高的可靠性。
Claims (8)
1.一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于包括支撑结构、摩擦电极、感应电极、保护层部分、以及导电装置，
所述支撑结构呈多个相互连接的“V”字型结构；所述感应电极为布置在“V”字型结构外侧的导电墨水，每个“V”字型结构布置有两个感应电极；所述保护层部分为布置在感应电极表面的透明胶带；所述导电装置布置在“V”字型结构外侧的感应电极的外表面；所述的“V”字型结构内侧的一侧且与导电墨水相对的位置上设有特氟龙胶带；所述特氟龙胶带与所述的“V”字型结构内侧的另一侧共同构成摩擦电极；在“V”字型结构被压缩完全时，构成摩擦电极的两部分相互接触；且此时每个“V”字型结构的两个感应电极的位置正好相对应。
2.如权利要求1所述的一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于，所述支撑结构采用A4纸或者硬纸卡片。
3.如权利要求1所述的一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于，所述特氟龙胶带厚度为0.13mm。
4.如权利要求1所述的一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于，所述感应电极，采用的是导电墨水，导电墨水的薄层电阻在50微米薄膜厚度时为50Ω/sq。
5.如权利要求1所述的一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于，所述保护层部分采用透明塑料膜。
6.如权利要求1所述的一种基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机，其特征在于，所述导电装置为细电线。
7.一种权利要求1所述基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据需要将支撑结构材料折成多个“V”字型；
2)用导电墨水将“V”字型外侧一定范围内的区域涂黑，且涂抹要均匀；
3)待导电墨水干了以后，将导线用透明胶带粘在导电墨水上，透明胶带要覆盖整个感应电极区域，以起到绝缘和保护作用；
4)在“V”字型上半部分的内侧，粘上一层特氟龙胶带，大小和位置与感应电极区域对应；
5)每个“V”字型结构构成一个发电单元；每个发电单元通过折纸关节相连；
6)发电机每个发电单元以并联的方式连入电路，已提供较大的电流。
8.一种权利要求1所述基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机的发电方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将基于纸基的堆叠纳米摩擦发电机安装在所需位置，通过作用力使得“V”字型结构能够被压缩和分离；
3)各个发电单元并联连接；
4)布置完导线后，将干路中的两个接线柱接到用电器或者储能装置；
5)利用作用力进行压缩，到摩擦电极的两部分相互接触的时候，摩擦电极的两部分表面会产生正负电荷，此时感应电极也会感应出相应的电荷，随着摩擦电极的两部分分离，感应电极上的电荷被驱动产生电流。
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